不同需求情况下的机房场地环境建设与改造

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不同需求情况下的机房场地环境建设与改造

国家气象局信息中心计算机室副主任/陈德全

前言：随着信息技术的飞速发展，高性能计算机及服务器在各行各业得到了广泛的应用，要保证IT设备安全可靠的运行，必须为其建设一个良好的机房环境，配置可靠的场地设备，不仅要满足当前的设备需要，还要考虑一定的余量，以备以后的发展。每一个用户在现有的条件下改造或建设机房时，都希望尽最大的可能满足设备的需求，这就需要把建设标准与可能提供的经费支持、现有的场地条件，利用机房场地环境建设、改造、管理积累的经验，提出一个比较合理的改造或建设方案。笔者从事机房场地环境方面的维护、管理工作30多年，主持、参加过多项国家重点工程项目场地环境系统的建设与改造，和机房建设、改造方面的方案评审、技术咨询，因此，把我对机房场地环境建设、改造的认识与意见提供给大家参考，希望有所帮助。

机房场地环境建设

一、机房

1、 机房区域的分隔

一般根据功能分隔为机房区、系统管理人员工作区和值班区，机房区还可以根据业务的不同再分隔为多个区域。

机房装修：根据资金情况选择装修档次。柱面、墙面：一般机房区与系统管理人员工作区和值班区都采用玻璃隔断，机房区的隔断采用防火玻璃。机房区域内的墙面与柱面采用吸音的微孔塑钢板，内附吸音材料。

吊顶：建议采用塑面金属材料，不宜采用石膏板，以减少机房内可能产生的粉尘。地板至吊顶的高度不宜超过2700㎜，太高则增加能耗。

地板：防静电地板的品种很多，不同的地板差别在于面层厚度（决定耐磨性）、粘合材料（决定面层与材基之间粘接牢度）、材基的密度与底面金属材料的厚度（决定地板的耐压强度）、地板的公差（决定大面积铺装的平整度）。

地面：地面与地板之间是空调送风的静压箱，风压很大，因此，必须保证地面的洁净度，以免粉尘进入IT设备。

承重： 一般办公室以及写字楼的楼板承重为150-250kg/m2，如果改造为机房，必须进行加固。加固有两种方法，1、把承载机柜的机架的面积加大，把重物的平均荷载减少到150kg/m2。2、加固楼板，单机柜的重量小于500kg，加固到500kg/m2, 单机柜的重量超过1000kg，建议加固到800kg-1000kg/m2。无论哪一种加固方法，都必须得到结构设计部门的认可。

保温：为了减少能量损失，在机房的顶部和地面都必须采取保温措施。顶部保温的施工相对简单，在地面做保温影响地板下的净空高度和增加作业难度，建议在机房下一层的顶部做保温。

二、配电系统

1、 高压配电：

对于一个新建大楼的业务供电系统，必须考虑其区别其它用电的特殊性、重要性。业务用电容量超过500KVA的重要业务单位，应采用外线两路高压进户，业务用电分别采用两路独立的变压器供电，每一路都应该能够承担全部业务负荷，两路高压之间互联，正常情况下，两台变压器分别供电，也可以采用一用一备的形式供电，当有一路外线断电或每年定期检修时不会影响业务。

2、低压配电：

低压配电设计方案是解决供电可靠性、稳定性非常重要的环节。由于高压的联络往往采用手动操作，时间较长，约需10分钟左右。因此，要求低压分别从两台变压器输入，两路低压之间增加联络，由于低压之间的联络是自动操作，转换时间约几百毫秒。为了保证一路断电时设备的安全运行，每一路的容量都要满足全部设备的需求。全部设备的实际用电量最大不能超过每一路输入开关容量的80%。

为了确保供电的可靠性，还需配置柴油发电机。柴油发电机容量的选配应该是需要确保的供电负荷的125—130%。需要确保设备的配电系统应相对独立，以保证柴油机只给需要确保的负荷供电。以上两部分仅作简单扼要的介绍，用户只要提出必要的需求，设计院或一定规模的机房公司都可以完成设计方案。用户需客观的认识业务保障等级和现有的环境条件，否则过于保守的设计必然造成投资增大。

三、UPS（不间断电源系统）UPS是配电系统中确保供电可靠性、稳定性的最重要的设备，下面从几个方面分析用户关心的技术特性，帮助用户选型和配置。

1、 技术指标：

输入特性：

输入电压的上限和下限

不同地域的用户要求有所不同，供电条件比较好的大、中型城市，白天的用电量比较大，单相电压220V，三相电压380V，下班以后，用电量骤减，电压可能升至240V(单相)、420V（三相）以上，所以希望上限值高一些，能达到＋15%。供电条件比较差的地方，由于超负荷用电，电压都比较低，希望下限值低一些，能达到－20%。独立变压器供电，用电量较大而负荷变化不大且供电质量比较好的用户，通过变压器抽头的调节，白天的机房建设N COMPUTER ROOM CONSTRUCTIOUPS输入电压370—375V，晚上由于外电网的波动，约在

390V左右，上下限在±10就可以了。

输入功率因数

该项参数决定了供电系统的利用率，标配的UPS输入功率因数0.8，输出功率因数.08，实际有功功率只有0.64。就是说80KW设备，必须提供125KVA的视在功率。

输入谐波THD

该项参数的大小主要表现在对上方变压器的影响，电流谐波过大则会造成变压器损耗加大，变压器发热，带载能力下降。大多数用户的UPS负载率仅为30－50%，因此，谐波含量比给出的数据较大。用电设备200KW以上的用户，该项指标应该重点关注。

输出特性：

输出电压

三进三出的UPS输出电压为380V，精度为±1%—±2%，当输入电压瞬变或负载100%突变时，电压的瞬间波动为±1%—±3% ，电压瞬时恢复时间10—50ms。上述参数都能满足计算机、网络、通信等设备的供电要求。UPS按放位置离用电设备较远的用户选配UPS时，建议选输出电压±5%范围内可以调节的UPS，以保证远端设备输入电压为380V，因为长距离低压送电损耗较大，末端电压会有所降低。

过载能力

逆变器运行过载125%时10分钟、150%时1分钟、500—1000%时1周期（容量大小不同）。大部分UPS该项

指标差别不大。

UPS选型：

目前市场上的UPS，无论进口还是国产，逆变器部分基本相同，功率器件都采用IGBT，整流器部分差别比较大，下面简要介绍其不同的结构以及工频机和高频机区别。

六脉冲整流器

功率器件采用可控硅，电路比较简单，成本较低，100KVA以下的UPS基本都采用此结构形式。

十二脉冲整流器

相对于六脉冲整流器而言，增加了一组整流器和一个移相变压器，谐波含量降低了一半，减少了对电网的污染，成本增加了。

RGBT整流器

由于RGBT是高频的功率器件，采用了脉宽调制技术，低次谐波的含量很小，所以输入功率因数接近于1，电流谐波相对于六脉冲和十二脉冲整流器要小得多。

普通二极管整流器

UPS高频机

高频机严格意义上讲，应该叫无输出隔离变压器的工频UPS。它的输出频率与标准UPS相同，由于减少了输出变压器，成本降低，功耗减少，效率提高。由于没有隔离变压器，该电路蓄电池组的负极是不接地的，中线是取自两个串联直流滤波电容的中间。如果负载严重不平衡，或者是非线性负荷，中线电流可能超过相线电流。两者差别在于：有隔离变压器的UPS中线电流反映在UPS的外部，而无隔离变压器的UPS内部和外部同时反映。综上所述，UPS选型要综合下面几个因素：

容量较小的（小于80KVA），单机运行，选择基本配置的UPS就可以了，可以忽略它可能对电网产生的影响。

大容量的UPS必须考虑其对电网可能产生的影响，应该要求输入功率因数大于0.95，输入谐波小于6%。无论选择哪一种类型的整流器，前端都需要加滤波器。

大容量的UPS，整机运行效率是一个重要的参数。

3、UPS的配置 ：

UPS单机运行

UPS是依靠整个系统来保证为运行设备不间断供电的，当市电断电时，由蓄电池供电，当UPS发生故障时，转旁路由市电供电。单机运行的UPS旁路与整流器输入共用一路电源，要根据市电的可靠性来考虑所配置的蓄电池的后备时间，以及是否需要配备柴油发动机。

UPS双机冗余备份

双机并联是UPS运行方式中较为可靠的一种。如果以冗余方式运行，一台UPS出现故障，另一台仍然能够承担全部负荷；即使两台UPS同时发生故障，还可以用旁路供电。如果考虑可能的增容，系统输出的开关可以按两台UPS的总容量设置，比较可靠的运行方式是带两台总容量的70—80%。两台UPS可以由一台变压器供电，也可以由两台变压器供电，如果由两台变压器分别供电，则两台UPS的旁路必须独立出来，只能由其中一台变压器给两台UPS的旁路供电。

UPS双机备份的其他配置方式

双机串联备份

当两台不同品牌、不同时期安装的UPS需要增加运行可靠性，希望以备份方式运行时，由于不能采用并机方式，一种方式是采用串联备份，如上图。该方式有两个缺点，第一是主用UPS发生故障，检修时不能完全断电，备用UPS需要通过该设备的旁路给负载供电；第二是备用UPS发生故障，检修时若完全断电，运行的UPS则没有旁路电源，两台UPS都不能在完全断电的情况下检修设备。

双机旁路手动转换互为备份

解决串联备份方式缺点的一个方法是分别在两台UPS的输出配电系统中各增加一个联络开关，如上图。当一台UPS发生故障时转为旁路运行，此时将另一台UPS手动也转为旁路，然后合上两个联络开关，断开故障UPS的输出开关，实现了在旁路状态下的不停电转换，再手动把无故障的UPS转为逆变器运行；故障UPS修复后，让其工作在旁路状态，把正常运行的UPS也转为旁路，合上修复UPS的输出开关，断开两个联络开关，最后把两台UPS转为逆变器运行，完成两次不断电的转换。该方式的优点是两台UPS正常运行和故障检修时都没有联系；缺点是手动操作，必须严格的按照操作的先后程序进行，否则会造成负荷停电。此配置方式两台UPS的电源应该取自同一台变压器。

多机冗余备份

当负荷的容量比较大的时候，两台并机不能满足需求，只能采用多机并联。上图为三台UPS并联，公共的静态旁路和维修旁路；还有一种方式是每台UPS都有自己的静态旁路，采用公共维修旁路。多机并联一般采用N＋1的方式，即只有一台UPS作为备份容量。从技术上讲，大部分知名品牌的UPS可以做到8台并机。

蓄电池的配置

蓄电池的选择和配置是UPS采购时的一个重要环节。

品牌的选择

国外品牌和国内品牌较多，价格差异也比较大，因此应根据经费情况和设备运行的重要性等级，确定选择蓄电池的档次。

蓄电池后备时间的选择

后备时间的选择要根据电网供电的可靠性和稳定性，如果电网有两路供电，并有柴油机作备份电源，单机运行的UPS，实际负荷在UPS额定容量的70%以下，蓄电池的后备时间建议选15—20分钟；1＋1或2＋1方式运行的UPS，蓄电池的后备时间建议选10—15分钟。因为蓄电池的后备时间都是按照UPS额定容量配置的，蓄电池实际后备时间要长。

蓄电池单体电压的选择

目前用户普遍采用12V全密封免维护蓄电池，优点是占地面积小，对环境的要求比较小。UPS的容量到了500KVA以上时，12V全密封免维护蓄电池往往不能满足容量的要求，只能选择6V或2V免维护蓄电池。根据蓄电池的结构，2V电池的性能要远远好于6V和12V电池。只是2V电池的占地面积比较大，价格比较高。2V电池的使用寿命基本可以达到12V电池的2倍，从长远的角度考虑，选择2V电池还是比较经济的。

四、空调系统

在一个数据机房长期运行中，维护管理工作量最大的就是保证空调系统的安全运行。因此，空调系统的设计和机房专用空调的选配在数据机房建设与改造中是极的就是保证空调系统的安全运行。因此，空调系统的设计和机房专用空调的选配在数据机房建设与改造中是极其重要的部分。

1、机房空调制冷量的选择

统计机房内待装的IT设备发热量多大有一个简单的办法——统计待装的IT设备的用电量，加上2-3年内可能增加的设备用电量的总和，乘以1.2，所得的KW数既是设备总的发热量。根据机房的类别，机房专用空调的总的显冷量应为总发热量的1.3-1.8倍。

2、机房空调风量的选择

机房空调的总风量应大于机房内所有IT设备机柜的总风量。

3、合理的气流组织

机柜的排列应保证严格的冷通道和热通道，如果机房的高度允许，在热通道的上方通过吊顶建回风通道。机房空调到最近的地板出风口距离应大于2米，到最远的机柜的距离不要大于12米。地板下强弱电线槽的走向不要与送风方向垂直，尽可能减少风阻。

4、空调类型的选择

1000KW以下的空调，室内机20台以下，室外冷凝器40台以下，一般采用风冷机组，室外机的摆放还不是大问题。1000KW以上的空调，20台以上，室外冷凝器40台以上，楼顶的面积有限，大面积的摆放不利于通风和散热，这种情况宜采用冷水机组加水冷机房空调。

5、新风

新风处理系统应该有二级过滤、制冷与加热，即把新风的温度与湿度处理到与机房的温湿度相接近，不能让室外的尘埃进入机房。1000m2以上的机房，配套的区域比较多，建一套完善的新风系统比较容易；面积不大的机房，没有配置完善的新风机房的条件，也可以不配